CN101597173A - 利用刚玉渣制备耐火原料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用刚玉渣制备耐火原料的方法，该方法包括以下步骤：将刚玉渣制备成小于180目的细粉，所述刚玉渣按重量计含有68％～85％的Al2O3、8％～17％的MgO和5％～10％的CaO；向所述细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，混练后出料，然后成型为样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为1％～5％，添加剂的重量百分比为0.1％～0.5％，结合剂的重量百分比为5％～10％；烘干样块；将样块进行烧成；冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。

Description

利用刚玉渣制备耐火原料的方法
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，特别涉及一种制备耐火原料的方法。
背景技术
在铝热法生产高钒铁的过程中，为了将钒渣中的钒氧化物还原，在冶炼过程中要加入一定量的金属铝；为了提高钒的收得率，冶炼后期还需加入一定量的石灰进行造渣；同时因炉衬采用的是镁质捣打料，冶炼时有部分氧化镁在高温下熔于渣液中。在冶炼完成后，被氧化的铝锭、造渣用的氧化钙和熔化的氧化镁与钒铁共同冷却并分离，形成渣饼，除去该渣饼表面的镁砂层即为刚玉渣。
纯刚玉渣为黑色，有的断面有金属光泽，从断面上看上部有较多气孔，下部较致密。将铝热法生产高钒铁的过程中产生的一种刚玉渣的上部疏松层和下部致密层分别破碎，检测其理化指标，结果见表1。
表1某种刚玉渣的理化指标
名称   SiO2/wt％   Al2O3/wt％   Fe2O3/wt％   CaO/wt％   MgO/wt％   S/wt％   耐火度/℃   体积密度/g·cm-3   吸水率/％
  疏松层   0.47   74.65   0.74   9.76   13.80   0.0124   ＞1780   3.02   1.4
  致密层   0.53   75.28   0.76   8.47   14.29   0.0133   ＞1780   3.05   1.8
由表1可以看出，刚玉渣疏松层和致密层的理化指标相当，主要由Al2O3和MgO组成，有一定量的CaO，杂质SiO2和Fe2O3含量均不超过3％；从物理性能方面来看，具有较高的体积密度和耐火度以及较低的吸水率。因此，该刚玉渣具有作为耐火原料的基本特征，但作为耐火原料还应考察其强度。
为了考察该刚玉渣的颗粒强度，采用了如下方法进行检测：筛出5mm～2mm的骨料50g，装入铸铁容器内，在压力机上施压52MPa，并保压120s，筛出＜2mm的骨料称重，计算压破率。同时选取了特级矾土、焦宝石、硅石进行平行试验，结果见图1。
由图1可以看出，刚玉渣的颗粒强度明显低于特级矾土，且比焦宝石的颗粒强度还要低，况且直接破碎的刚玉渣颗粒存在较多的孔洞，因此不适于直接作为耐火原料。
由于上述原因，该刚玉渣目前作为工业废渣而未大量开发利用，这些工业废渣不仅占用了大量的堆放场地，污染了环境，而且造成了极大的资源浪费。
根据上述情况，若能在不显著降低刚玉渣耐火度的前提下提高其颗粒强度并减少颗粒孔洞，则完全可以作为耐火原料使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用刚玉渣制备耐火原料的方法，以解决现有技术中的上述问题。该利用刚玉渣制备耐火原料的方法能够在不降低刚玉渣耐火度的前提下提高其颗粒强度并减少颗粒孔洞。
根据本发明的利用刚玉渣制备耐火原料的方法包括以下步骤：将刚玉渣制备成小于180目的细粉，所述刚玉渣按重量计含有68％～85％的Al2O3、8％～17％的MgO和5％～10％的CaO；向所述细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，混练后出料，然后成型为样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为1％～5％，添加剂的重量百分比为0.1％～0.5％，结合剂的重量百分比为5％～10％；烘干样块；将样块进行烧成；冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。
本发明的利用刚玉渣制备耐火原料的方法的优点在于工艺简单、技术效果良好、减少了环境污染和资源浪费。
附图说明
图1示出了一种刚玉渣的疏松层和致密层相对于特级矾土、焦宝石和硅石的压破率试验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细描述根据本发明的一种利用刚玉渣制备耐火原料的方法。
首先，将刚玉渣制备成小于180目的细粉。这里所述的刚玉渣来自铝热法生产高钒铁的过程，其按重量计含有68％～85％的Al2O3、8％～17％的MgO和5％～10％的CaO。该刚玉渣主要由Al2O3和MgO组成，有一定量的CaO，杂质SiO2和Fe2O3含量均不超过3％，另外还有一些对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。可以采用破碎设备、筛分设备制备小于180目的细粉，或者可以采用破碎设备直接将刚玉渣破碎成小于180目的细粉。
然后，向细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，混练后出料，然后成型为样块。以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为1％～5％，添加剂的重量百分比为0.1％～0.5％，结合剂的重量百分比为5％～10％。矿化剂和添加剂的粒度可以与刚玉渣细粉的粒度相当。
矿化剂是粘土、膨润土、硅灰、石英砂、硅石中的至少一种，其作用在于促进物料的烧结。矿化剂加入量少于1％会造成物料不能烧结，产品体积密度低，吸水率高；加入量超过5％则会造成耐火度降低，这两种情况都会影响产品的使用范围。
添加剂是三聚磷酸钠、纯碱、长石中的至少一种，其作用在于使混练的物料便于成型。添加剂加入量少于0.1％和大于0.5％均会造成物料成型时产生裂纹，影响产品质量。
结合剂的作用在于使混练的物料成型时有足够的砖坯强度，便于生产；并且可使烘干后的砖坯具有足够的强度，便于入窑烧结。如果结合剂加入量少于5％，则会造成成型时砖坯强度低，生产困难；如果结合剂加入量大于10％，则会造成产品耐火度降低，影响产品质量。
结合剂是六偏磷酸钠水溶液、羧甲基纤维素水溶液、木质素磺酸钙水溶液、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种，可以将上述液态的结合剂直接加入到刚玉渣细粉中。例如，可以采用模数为2.3的液状水玻璃作为结合剂。可选择地，将六偏磷酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸钙中的至少一种加入到所述细粉中，混合均匀后加入水、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种，六偏磷酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸钙中的至少一种与水、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种的组合作为结合剂。结合剂的制备方法对于本领域技术人员来说是公知的。
可以通过在室温下用混碾机混练3分钟～8分钟来执行混练的步骤。若混练时间少于3分钟，则会造成物料混合不均匀，影响产品质量；若混练时间超过8分钟，则会造成物料温度过高，水分蒸发严重，导致难于成型，并且成型时易产生裂纹，影响产品质量。混练所使用的设备不限于混碾机，可以采用强力逆流混合机、高速混合机、行星式强制混合机、双锥形混合机、螺旋锥形混合机或桨叶搅拌机等。
可以采用113Mpa以上的压力将混练后的物料成型为长方体形、球形和椭球形中的一种形状。如果成型压力小于113Mpa，则会造成砖坯密度低，影响产品质量。300吨以上的压砖机能够提供113Mpa以上的压力，因此可以采用300吨以上的压砖机来执行成型的步骤。本发明不限于使用压砖机的机压成型法，也可以采用等静压成型法、捣打成型法、挤压成型法等。为了便于隧道窑烧成，可以将混练后的物料成型为65mm×115mm×230mm的长方体砖坯；如果采用回转窑或竖窑烧成，则可成型为球形或椭球形。
之后，烘干样块。可以在110℃～180℃下进行12小时～24小时的烘干。如果烘干温度小于110℃，则水分排出缓慢，既浪费时间又增加能源；如果烘干温度大于180℃，则水分排出过快，砖坯易产生微裂纹，影响产品质量。烘干时间选择12小时～24小时是为了保证水分排尽而又不浪费能源。可以采用隧道干燥器、干燥筒或热处理窑来执行烘干样块的步骤。
然后，将样块进行烧成。可以将样块在1300℃～1700℃的温度下进行3小时～5小时的烧成。如果温度低于1300℃，则物料难于烧结，体积密度小，强度低，气孔率大；如果温度高于1700℃，则会造成能源增加从而增加生产成本。如果烧成的时间少于3小时，则不能保证砖坯温度达到完全均匀；如果烧成的时间大于5小时，则会造成能源增加从而增加成本。在该步骤中，可以使用隧道窑、回转窑、竖窑或梭式窑。
最后，冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。可采用的破碎设备包括颚式破碎机、对辊破碎机、圆锥破碎机、管磨机、悬辊磨、振动磨和气流磨，这里所说的破碎设备同样适用于制备小于180目的刚玉渣细粉的步骤。
实施例1：
将刚玉渣制备成小于180目的细粉，该刚玉渣按重量计含有75.20％的Al2O3、16.23％的MgO、7.84％的CaO和对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。向该细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，在混碾机上混练5分钟出料，用300吨的压砖机成型为65mm×115mm×230mm的样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为2％，添加剂的重量百分比为0.2％，结合剂的重量百分比为6％。在150℃的温度下进行16小时烘干。然后用隧道窑将样块在1650℃下进行3小时烧成。冷却样块，并破碎样块。
该实施例中所用的矿化剂是粘土、硅灰、石英砂按1∶2∶1的重量比共磨后的混合物，添加剂是三聚磷酸钠、纯碱、长石按1∶1∶2的重量比混合后的混合物，结合剂是含2％羧甲基纤维素和8％水玻璃的水溶液。矿化剂和添加剂的粒度与刚玉渣细粉的粒度相当。
该实施例制备的样块的主要组成为：1.47wt％的SiO2、73.83wt％的Al2O3、0.68wt％的Fe2O3、7.53wt％的CaO、15.72wt％的MgO、0.012wt％的S。
筛出破碎的样块中5mm～2mm的骨料50g，装入铸铁容器内，在压力机上施压52MPa，并保压120s，筛出＜2mm的骨料称重，计算压破率为58.23％。经过破碎的样块的耐火度大于1790℃，体积密度为2.98g·cm-3，吸水率为3.40％。
该实施例制备的样块破碎率明显降低，颗粒强度比焦宝石和硅石高，比特级矾土稍差，并从耐火度、体积密度、吸水率和化学成分来看，该样块完全可作为耐火原料使用，且成本低廉。
为了考察该实施例使用刚玉渣制备耐火原料的可行性，将样块破碎成10mm～5mm和5mm～0mm的骨料。并将破碎好的骨料加入到耐火材料原配方中，原配方为：特级矾土10mm～5mm 35wt％、5mm～0mm 35wt％、＜0.088mm15wt％、硅灰5wt％、烧结α-Al2O3 4.9wt％、纯铝酸钙水泥5wt％、分散剂0.1wt％。将原配方中10mm～5mm和5mm～0mm的颗粒完全用根据本实施例制备10mm～5mm和5mm～0mm的样块骨料代替，加入5.5wt％～7.0wt％的水，搅拌均匀后振动成型，在室温条件下养护24h脱模，检测其理化性能(见表2)，并与原配方进行对比。
表2原配方和本实施例配方的对比数据
  名称   原配方  实施例1的配方
  加水量/wt％   5.8  5.5
  施工性能   良好  良好
  Al2O3/wt％   73.83  68.25
  24h脱模强度/MPa   24.3  16.7
  110℃×24h强度/MPa   42.0  57.4
  110℃×24h体积密度/g·cm-3   2.63  2.59
  1000℃×3h强度/MPa   57.0  39.1
  1000℃×3h线变化/％   +0.2  -0.2
  1500℃×3h强度/MPa   37.3   58.5
  1500℃×3h线变化/％   -0.1   0
由表2可以看出，样块骨料加入原高铝质耐火材料中，其理化指标与原配方相当，有的指标还优于原配方，因此用本实施例制备的耐火原料完全可用于生产耐火材料。
实施例2：
将刚玉渣制备成小于180目的细粉，该刚玉渣按重量计含有76.23％的Al2O3、14.23％的MgO、7.28％的CaO和对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。向该细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，在混碾机上混练7分钟出料，用300吨的压砖机成型为65mm×115mm×230mm的样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为4％，添加剂的重量百分比为0.4％，结合剂的重量百分比为8％。180℃的温度下进行12小时烘干。然后用隧道窑将样块在1600℃下进行5小时烧成。冷却样块，并破碎样块。
该实施例中所用的矿化剂是粘土、硅灰、石英砂按1∶1∶1的重量比共磨后的混合物，添加剂是三聚磷酸钠、纯碱、长石按1∶1∶2的重量比混合后的混合物，结合剂是含2％羧甲基纤维素和8％水玻璃的水溶液。矿化剂和添加剂的粒度与刚玉渣细粉的粒度相当。
该实施例制备的样块的主要组成为：1.35wt％的SiO2、73.95wt％的Al2O3、0.78wt％的Fe2O3、7.23wt％的CaO、13.83wt％的MgO、0.011wt％的S。
筛出破碎的样块中5mm～2mm的骨料50g，装入铸铁容器内，在压力机上施压52MPa，并保压120s，筛出＜2mm的骨料称重，计算压破率为58.23％。经过破碎的样块的耐火度大于1790℃，体积密度为2.92g·cm-3，吸水率为3.80％。
该实施例制备的样块破碎率明显降低，颗粒强度比焦宝石和硅石高，比特级矾土稍差，并从耐火度、体积密度、吸水率和化学成分来看，该样块完全可作为耐火原料使用，且成本低廉。
为了考察该实施例使用刚玉渣制备耐火原料的可行性，将样块破碎成10mm～5mm和5mm～0mm的骨料。并将破碎好的骨料加入到耐火材料原配方中，原配方为：特级矾土10mm～5mm 35wt％、5mm～0mm 35wt％、＜0.088mm15wt％、硅灰5wt％、烧结α-Al2O3 4.9wt％、纯铝酸钙水泥5wt％、分散剂0.1wt％。将原配方中10mm～5mm和5mm～0mm的颗粒完全用根据本实施例制备10mm～5mm和5mm～0mm的样块骨料代替，加入5.5wt％～7.0wt％的水，搅拌均匀后振动成型，在室温条件下养护24h脱模，检测其理化性能(见表3)，并与原配方进行对比。
表3原配方和本实施例配方的对比数据
  名称   原配方   实施例2的配方
  加水量/wt％   5.8   5.7
  施工性能   良好   良好
  Al2O3/wt％   73.83   68.75
  24h脱模强度/MPa   24.3   15.7
  110℃×24h强度/MPa   42.0   47.4
  110℃×24h体积密度/g·cm-3   2.63   2.57
  1000℃×3h强度/MPa   57.0   49.1
  1000℃×3h线变化/％   +0.2   -0.1
  1500℃×3h强度/MPa   37.3   52.3
  1500℃×3h线变化/％   -0.1   -0.2
由表3可以看出，样块骨料加入原高铝质耐火材料中，其理化指标与原配方相当，有的指标还优于原配方，因此用本实施例制备的耐火原料完全可用于生产耐火材料。
实施例3：
将刚玉渣制备成小于180目的细粉，该刚玉渣按重量计含有73.56％的Al2O3、13.25％的MgO、7.34％的CaO和对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。向该细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，在混碾机上混练8分钟出料，用300吨压砖机成型为65mm×115mm×230mm的样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为3％，添加剂的重量百分比为0.5％，结合剂的重量百分比为10％。在110℃的温度下进行24小时烘干。然后用隧道窑将样块在1600℃下进行3小时烧成。冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。
该实施例中所用的矿化剂是粘土、硅灰、石英砂按1∶2∶1的重量比共磨后的混合物，添加剂是三聚磷酸钠、纯碱、长石按1∶1∶2的重量比混合后的混合物，结合剂是含2％羧甲基纤维素和8％水玻璃的水溶液。矿化剂和添加剂的粒度与刚玉渣细粉的粒度相当。
按照与实施例1相同的方法测定实施例3制备的样块的压破率为52.68％，耐火原料的耐火度大于1790℃，体积密度为3.05g·cm-3，吸水率为2.50％。
实施例4：
将刚玉渣制备成小于180目的细粉，该刚玉渣按重量计含有72.75％的Al2O3、13.47％的MgO、5.78％的CaO和对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。向该细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，在混碾机上混练5分钟出料，用300吨压砖机成型为65mm×115mm×230mm的样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为5％，添加剂的重量百分比为0.3％，结合剂的重量百分比为7％。在150℃的温度下进行18小时烘干。然后用隧道窑将样块在1350℃下进行4小时烧成。冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。
该实施例中所用的矿化剂是膨润土、硅灰、硅石按1∶1∶1的重量比共磨后的混合物，添加剂是纯碱、长石按1∶2的重量比混合后的混合物，结合剂为木质素磺酸钙0.5％和亚硫酸盐纸浆废液6.5％(该实施例中将0.5％的木质素磺酸钙加入到细粉物料中先混合，混合均匀后再加入6.5％的亚硫酸盐纸浆废液)。矿化剂和添加剂的粒度与刚玉渣细粉的粒度相当。
按照与实施例1相同的方法测定实施例4制备的样块的压破率为58.68％，耐火原料的耐火度大于1790℃，体积密度为2.85g·cm-3，吸水率为6.50％。
实施例5：
将刚玉渣制备成小于180目的细粉，该刚玉渣按重量计含有75.23％的Al2O3、14.28％的MgO、8.36％的CaO和对耐火性能不具有影响或影响很小的其它杂质。向该细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，在混碾机上混练3分钟出料，用300吨压砖机成型为65mm×115mm×230mm的样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为1.0％，添加剂的重量百分比为0.1％，结合剂的重量百分比为5.5％。在110℃的温度下进行24小时烘干。然后用隧道窑将样块在1700℃下进行3小时烧成。冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。
该实施例中所用的矿化剂是粘土、硅石按1∶1的重量比共磨后的混合物，添加剂是纯碱、长石按1∶1的重量比混合后的混合物，结合剂为木质素磺酸钙0.5％和亚硫酸盐纸浆废液5.0％(该实施例中将0.5％的木质素磺酸钙加入到细粉物料中先混合，混合均匀后再加入5.0％的亚硫酸盐纸浆废液)。矿化剂和添加剂的粒度与刚玉渣细粉的粒度相当。
按照与实施例1相同的方法测定实施例5制备的样块的压破率为46.68％，耐火原料的耐火度大于1790℃，体积密度为3.15g·cm-3，吸水率为1.20％。

Claims (10)

1、一种利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将刚玉渣制备成小于180目的细粉，所述刚玉渣按重量计含有68％～85％的Al2O3、8％～17％的MgO和5％～10％的CaO；
(b)向所述细粉中加入矿化剂、添加剂和结合剂，混练后出料，然后成型为样块，其中，以配料总重量为100％计，矿化剂的重量百分比为1％～5％，添加剂的重量百分比为0.1％～0.5％，结合剂的重量百分比为5％～10％；
(c)烘干样块；
(d)将样块进行烧成；
(e)冷却样块，并将样块破碎成耐火原料。
2、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于所述刚玉渣来自铝热法生产高钒铁的过程。
3、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于所述矿化剂是粘土、膨润土、硅灰、石英砂、硅石中的至少一种。
4、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于所述添加剂是三聚磷酸钠、纯碱、长石中的至少一种。
5、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于加入结合剂的步骤包括将六偏磷酸钠水溶液、羧甲基纤维素水溶液、木质素磺酸钙水溶液、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种直接加入到所述细粉中。
6、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于加入结合剂的步骤包括：将六偏磷酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸钙中的至少一种加入到所述细粉中，混合均匀后加入水、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种，六偏磷酸钠、羧甲基纤维素、木质素磺酸钙中的至少一种与水、液状水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液中的至少一种的组合作为结合剂。
7、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于混练的步骤包括：在室温下用混碾机混练3分钟～8分钟。
8、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于成型为样块的步骤包括：用113Mpa以上的压力成型为长方体形、球形和椭球形中的一种形状。
9、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于烘干样块的步骤包括：在110℃～180℃下进行12小时～24小时烘干。
10、根据权利要求1所述的利用刚玉渣制备耐火原料的方法，其特征在于将样块进行烧成的步骤包括：将样块在1300℃～1700℃的温度下进行3小时～5小时的烧成。
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